具有时间交错的显示系统

本申请要求于2020年7月21日提交的美国专利申请号16/935,083、于2020年7月21日提交的美国专利申请号16/935,080、于2019年8月13日提交的美国临时专利申请号62/886,172以及于2019年8月13日提交的美国临时专利申请号62/886,171的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及电子设备，并且更具体地涉及具有用于合并显示内容和真实世界内容的光学系统的电子设备。

电子设备有时包括显示器。例如，可穿戴电子设备诸如头戴式设备可包括用于显示覆盖在真实世界内容上的计算机生成的内容的显示器。光学系统用于合并真实世界内容和显示内容。

在提供用于合并真实世界内容和显示内容的令人满意的光学系统方面可能出现挑战。如果不小心，可能出现光学质量和其他性能特性的问题。

发明内容

电子设备，诸如头戴式设备，可具有产生显示图像的显示器。头戴式设备可具有光学系统，眼睛在眼箱中的用户可通过该光学系统查看真实世界对象。在操作期间，光学系统可用于将来自真实世界对象的真实世界图像与显示图像合并。

显示器可按帧产生图像。可在交替的图像帧中显示不同的对象。光学系统可与交替图像帧同步调节，以在不同焦平面处显示不同对象。

在一些配置中，光学系统可具有由一对线性偏振器形成的强度开关和插入的偏振开关。偏振开关可在其中给定偏振的线性偏振光不被偏振开关旋转的第一状态和其中给定偏振的线性偏振光被旋转90°的第二状态下操作。

附加部件可结合在光学系统中，诸如具有互补透镜焦度的前偏置透镜和后偏置透镜，用于帮助以时间交错方式合并真实世界图像和显示图像的偏振开关，以及对具有不同偏振的图像呈现不同透镜焦度的几何相位透镜。可调谐透镜可用于将显示图像放置在距眼箱不同的相应焦平面距离处。

附图说明

图1是根据实施方案的例示性电子设备诸如头戴式显示设备的示意图。

图2是根据实施方案的例示性头戴式设备的顶视图。

图3A和图3B是根据实施方案的具有时间交错和可调谐透镜的示例性光学系统的剖视图。

图4A、图4B、图5A、图5B和图6至图9是根据实施方案的具有几何相位透镜的示例性光学系统的横截面侧视图。

具体实施方式

电子设备可以包括用于向用户呈现内容的显示器和其他部件。电子设备可以是可穿戴电子设备。可穿戴电子设备诸如头戴式设备可以具有允许头戴式设备被戴在用户头上的头戴支承结构。

头戴式设备可包含用于向用户显示视觉内容的显示器。头戴式设备还可包括帮助用户在查看显示内容时查看真实世界对象的光学系统。光学系统可包括将真实世界图像光与跟由显示器显示的图像相关联的图像光合并的光学部件。当真实世界图像光和显示图像光两者对用户可见时，头戴式设备可将计算机生成的对象放置在用户周围的物理环境内。

可使用时分复用、偏振复用和/或用于将来自真实世界对象的光与来自显示器的光组合的其他布置将真实世界内容与显示内容合并。

图1中示出了可包括头戴式设备的示例性系统的示意图，该头戴式设备具有用于将真实世界内容与显示内容合并的光学系统。如图1所示，系统8可以包括一个或多个电子设备诸如电子设备10。系统8的电子设备可以包括计算机、蜂窝电话、头戴式设备、腕表设备和其他电子设备。其中电子设备10是头戴式设备的配置有时在本文中作为示例进行描述。

如图1所示，电子设备诸如电子设备10可以具有控制电路12。控制电路12可以包括用于控制设备10的操作的存储和处理电路。电路12可以包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路12中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、功率管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其它集成电路。软件代码可存储在电路12中的存储装置上，并且在电路12中的处理电路上运行，以实现用于设备10的控制操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节设备10的部件的操作等)。控制电路12可以包括有线和无线通信电路。例如，控制电路12可以包括射频收发器电路，诸如蜂窝电话收发器电路、无线局域网

在操作期间，系统8中的设备的通信电路(例如，设备10的控制电路12的通信电路)可用于支持电子设备之间的通信。例如，一个电子设备可以将视频和/或音频数据传输给系统8中的另一电子设备。系统8中的电子设备可以使用有线和/或无线通信电路来通过一个或多个通信网络(例如，互联网、局域网等)进行通信。通信电路可以被用于允许设备10从外部装备(例如，拴系计算机、便携式设备诸如手持设备或膝上型计算机、在线计算装备诸如远程服务器或其他远程计算装备、或其他电气装备)接收数据和/或向外部装备提供数据。

设备10可以包括输入-输出设备22。输入-输出设备22可以被用于允许用户为设备10提供用户输入。输入-输出电路22可以也被用于采集有关设备10在其中操作的环境的信息。电路22中的输出部件可以允许设备10向用户提供输出，并且可以被用于与外部电气装备通信。

如图1所示，输入-输出电路22可以包括一个或多个显示器诸如显示器14。在一些配置中，设备10的显示器14包括左显示设备和右显示设备(例如，左部件和右部件，诸如左扫描镜显示设备和右扫描镜显示设备、硅基液晶显示设备、数字反射镜设备或其他反射型显示设备、基于发光二极管像素阵列的左显示面板和右显示面板(例如，有机发光显示面板、或基于由晶体半导体发光二极管管芯形成的像素阵列的显示设备)、液晶显示面板和/或分别与用户的左眼和右眼对准的其他左显示设备和右显示设备。在其他配置中，显示器14包括单个显示面板，该单个显示面板跨两只眼睛延伸或使用其中内容被设置有单个像素阵列的其他布置。

显示器14用于为设备10的用户显示视觉内容。在显示器14上呈现的内容可包括由控制电路12提供给显示器14的虚拟对象和其他内容，并且有时可被称为计算机生成的内容、显示内容、显示图像、显示光等。计算机生成的内容可在不存在真实世界内容的情况下显示，或者可与真实世界内容组合。在一些配置中，真实世界图像可由相机(例如，前向相机)捕获，使得计算机生成的内容可以电子方式覆盖在该真实世界图像的部分上(例如，当设备10是具有不透明显示器的一副虚拟现实护目镜的情况下)。在其他配置中，光学系统(例如，光学耦合系统)可用于允许计算机生成的内容光学覆盖在真实世界图像的顶部上。作为示例，设备10可具有透视显示系统，该透视显示系统通过分束器、棱镜、全息耦合器或其他光学耦合器向用户提供计算机生成的图像，同时允许用户通过光学耦合器查看真实世界对象。

输入-输出设备22可以包括传感器16。传感器16可以包括例如三维传感器(例如，三维图像传感器诸如发射光束并且使用二维数字图像传感器从在目标被所述光束照射时生成的光点采集用于三维图像的图像数据的结构化光传感器、利用双目成像布置中的两个或更多个相机采集三维图像的双目三维图像传感器、三维lidar(光探测及测距)传感器、三维射频传感器、或采集三维图像数据的其他传感器)、相机(例如，红外和/或可见光数字图像传感器)、视线跟踪传感器(例如，基于图像传感器、并且如果需要的话还基于光源的视线跟踪系统，所述光源发射一个或多个光束，所述光束在从用户的眼睛反射之后利用图像传感器进行跟踪)、触摸传感器、按钮、电容式接近传感器、基于光的(光学)接近传感器、其他接近传感器、力传感器、传感器诸如基于开关的接触传感器、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器、音频传感器(麦克风)、环境光传感器、用于采集语音命令和其他音频输入的麦克风、被配置为采集关于运动、位置和/或取向的信息的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、罗盘、和/或包括所有这些传感器或者这些传感器中一者或两者的子组的惯性测量单元)、确定其他设备的位置(以及因此此类设备相对于设备10的相对位置)的射频传感器、和/或其他传感器。

用户输入和其他信息可以利用传感器和输入-输出设备22中的其他输入设备来采集。如果需要，输入-输出设备22可以包括其他设备24诸如触觉输出设备(例如，振动部件)、发光二极管和其他光源、用于产生音频输出的扬声器诸如耳用扬声器、以及其他电子部件。设备24可包括一个或多个可调节光学部件，诸如液晶设备或其他可电调节的光学部件。这些部件可形成偏振开关。有时可被称为可电调谐波片或可电控制偏振旋转器的偏振开关可被调节以使线性偏振光旋转不同的量(例如，根据开关的状态旋转0°或90°)。如果需要，偏振开关可与一对偏振器一起使用以形成可电调节的快门(有时称为光调制器或强度开关)。如果需要，设备24可包括可调谐透镜。可调谐透镜可由液晶设备和其他可电调节设备形成。可调谐透镜可被调节以产生不同的透镜焦度(例如，期望的正透镜焦度和/或负透镜焦度)和/或调节透镜中心的横向位置(例如，以适应不同的用户视线方向)。例如，可基于从视线检测系统实时收集的信息来调节可调谐透镜以移动透镜的中心的位置。

如果需要，设备10可包括用于接收无线功率的电路、用于向其他设备无线传输功率的电路、蓄电池和其他储能设备(例如，电容器)、操纵杆、按钮和/或其他部件。

电子设备10可以具有外壳结构(例如，外壳壁、条带等)，如图1的例示性支承结构26所示。在电子设备10是头戴式设备(例如，一副眼镜、护目镜、头盔、帽子等)的配置中，支承结构26可以包括头戴支承结构(例如，头盔外壳、头带、一副眼镜中的镜腿、护目镜外壳结构、和/或其他头戴结构)。头戴支承结构可以被构造为在设备10操作期间被戴在用户的头上，并且可以支承显示器14、传感器16、其他部件24、其他输入-输出设备22、和控制电路12。

图2是电子设备10是头戴式设备的例示性配置中电子设备10的顶视图。如图2所示，电子设备10可以包括支承结构26，在容纳设备10的部件以及将设备10戴到用户头上中使用该支承结构。这些支承结构可以包括例如形成主单元的外壳壁和其他结构的结构(例如，支承结构26-2)、以及帮助将主单元和主单元中的部件保持在用户面部上以使得用户的眼睛位于眼箱60内的诸如条带、镜腿之类的附加结构或其他补充支承结构(例如，支承结构26-1)。

显示器14可包括左显示器部分和右显示器部分(例如，有时称为左显示器和右显示器、左显示设备和右显示设备、左显示部件和右显示部件、或左像素阵列和右像素阵列)。设备10的光学系统可由耦合器84(有时称为输入耦合器)、波导86和由一个或多个光学部件诸如部件100和102形成的光学系统形成。部件100可插置在设备10的前(面向外)侧和波导86之间(例如，在真实世界对象90和波导86之间)。部件102可插置在波导86与设备10的后(面向内)侧之间(例如，在波导86与眼箱60之间)。部件100和102可包括固定和/或可调节部件，该固定和/或可调节部件帮助将计算机生成的内容放置在期望的焦平面处，并且帮助将该内容与穿过部件100和102以及波导86到眼箱60的真实世界图像光合并。眼睛位于眼箱60中的用户可通过由部件100、波导86和部件102以及设备10的其他部件形成的光学系统来查看真实世界对象，同时从显示器14查看重叠的计算机生成的内容。

如图2所示，显示器14的左部分可用于为左手眼箱60创建图像(例如，用户左眼查看左手图像的位置)。显示器14的右部分可用于为右手眼箱60创建图像(例如，用户右眼查看右手图像的位置)。在图2的配置中，显示器14的左部分和右部分可由相应的左显示设备和右显示设备(例如，数字反射镜设备、硅上液晶设备、扫描微机电系统反射镜设备、其他反射型显示设备或其他显示器)形成。

光学耦合器84(例如，棱镜、全息图等)可用于将相应的左图像和右图像从左显示部分和右显示部分耦合到相应的左波导和右波导86中。可根据全内反射的原理在波导86内引导图像。这样，左图像和右图像可以从设备10的左侧和右侧朝向设备10的中心中与左眼箱和右眼箱60对准的位置传输。波导86可设置有相应的左输出耦合器和右输出耦合器88，诸如形成在波导86的材料上或材料中的全息图。左输出耦合器和右输出耦合器88可分别将左图像和右图像从左波导和右波导86朝向左眼箱和右眼箱60耦合以供用户查看。这允许用户查看计算机生成的图像(显示图像)，诸如在真实世界对象诸如真实世界对象90上方覆盖的计算机生成的对象92。

通过调节部件100和/或102中的透镜和其他光学部件，可以调节与设备10相距的距离，显示图像92聚焦在该距离处以供用户从眼箱60查看。可在不影响真实世界对象诸如真实世界对象90的焦点的情况下进行这些调节。这样，真实世界对象诸如真实世界对象90可由用户观察到，好像设备10不存在一样(例如，没有任何中间光学部件)，而计算机生成的内容诸如虚拟对象92可被放置在用户正在查看的场景内距用户一个或多个期望的距离处。

时间交错和偏振控制技术可用于合并设备10的光学系统中的真实世界内容和显示内容。

作为示例，考虑图3A的时分复用布置。图3A是可用于设备10的左手部分和右手部分两者的示例性光学系统(光学系统122)的图示。如图3A所示，系统122包括外部光学部件诸如光学部件100，和内部光学部件诸如光学部件102。部件100和/或102中的可电调节设备由控制电路12控制。波导86，并且具体地讲，波导86的具有输出耦合器88的部分，被插置在部件100和102之间。真实世界图像光104穿过系统122并且在眼箱60处可由用户的眼睛查看。计算机生成的图像光(显示光)124被引导至输出耦合器88，穿过波导86到达输出耦合器88。输出耦合器88将光124耦合出波导86，使得光124穿过部件102到达眼箱60。

系统122具有偏置透镜106和120。偏置透镜106和120的焦度可为互补的。例如，偏置透镜106可具有正透镜焦度诸如1.5屈光度，并且偏置透镜120可具有负透镜焦度诸如-1.5屈光度。利用这种类型的布置，透镜106的正焦度被透镜120的对应负焦度抵消，使得净效应好像在真实世界对象和眼箱60之间不存在透镜一样(例如，当行进到眼箱60时，真实世界图像104经历来自透镜106和120的零透镜焦度)。同时，透镜120的负焦度存在于部件102中。

部件100包括电子快门105。有时可被称为强度开关或可电调节光调制器的电子快门105可包括线性偏振器108、偏振开关110和线性偏振器112。线性偏振器108可具有与Y轴对准的透光轴，使得光104在穿过偏振器108之后沿着Y轴线性地偏振。有时可被称为可电调节波片、可电调节延迟器或可电调节偏振控制器的偏振开关110可由可电调节光学部件诸如扭转向列液晶层形成(作为示例)。交流电驱动信号可用于控制偏振开关110的操作，以避免原本可能因使用固定极性的控制信号而产生的不期望的电荷聚积效应。

在第一状态(有时称为断开状态，其中施加0V峰间驱动信号)下，偏振开关110将来自偏振器108的入射线性偏振光的偏振旋转90°，使得光104在离开偏振开关110之后沿着X轴偏振。线性偏振器112具有与X轴对准的透光轴，并且因此使第一状态下的光104通过。在第二状态(有时称为导通状态，其中施加20V峰间驱动信号或其他合适的驱动信号)下，偏振开关110不旋转入射线性偏振光的偏振。在这种状态下，光104被偏振器112阻挡。如这表明，偏振开关110的可调节性允许偏振器108、偏振开关110和偏振器112用作可电调节快门，该可电调节快门可阻挡真实世界光104或将该真实世界光传递到眼箱60。

光学部件102可包括线性偏振器114。线性偏振器114可具有与X轴对准的透光轴，并且可用于阻挡沿着Y轴偏振的光，如结合偏振器112所述。包括偏振器112可有助于减少在+Z方向上从输出耦合器88泄漏的显示光。如果需要，可省略偏振器112。在省略偏振器112的配置中，偏振器114、偏振器108和偏振开关110形成电子快门。

光学部件102可包括可调谐透镜，诸如液晶透镜。可调谐透镜的透镜中心的位置和/或透镜的透镜焦度可由控制电路12调节。例如，可基于来自正在监测用户视线方向(例如，通过监测眼箱60中用户的眼睛)的视线跟踪系统的信息来实时控制可调节透镜的透镜中心的位置。这允许透镜的中心沿着用户的视线方向对准。

在图3A的示例中，部件102包括液晶透镜118。透镜118是可电调节的。在操作期间，控制电路12可调节液晶透镜118的焦度以将虚拟对象放置在期望的焦平面中。作为示例，液晶透镜118可表现出可在第一正透镜焦度值和第二正透镜焦度值之间调谐的正透镜焦度，可表现出可在第一负透镜焦度值和第二负透镜焦度值之间调谐的负透镜焦度，或者可具有可在正值(例如，+1屈光度)和负值(例如，-1屈光度)之间调节的透镜焦度。输出耦合器88和眼箱60之间的透镜系统的净焦度由内(后)偏置透镜120和液晶透镜118的组合透镜焦度给出。在一些配置中，包括负后偏置透镜可有助于向用户提供所需的整体负透镜焦度(例如，在从-0.5屈光度(其可用于将虚拟对象放置在距眼箱60 2m的焦平面距离处)到-2.5屈光度(其可用于将虚拟对象放置在距眼箱60 40cm的焦平面距离处)范围内的透镜焦度，同时允许透镜118表现出正透镜焦度和负透镜焦度两者，从而有助于避免在仅产生负液晶透镜焦度时有时可能存在的调谐挑战。透镜118可被配置为对于沿着Y轴偏振的光表现出期望的透镜焦度(例如，1屈光度和/或其他合适的透镜焦度)，同时对于沿着X轴偏振的光不表现出透镜焦度(0屈光度)。透镜118可具有任何合适数量的液晶单元层(例如，一层、两层或更多层、三层或更多层等)。如果需要，多层配置可用于透镜118以允许透镜118提供可电调节的透镜中心位置，以允许增强透镜118的光学性能等。

光学系统122可使用时分复用来在眼箱60处合并真实世界光104和显示光124，以供用户查看。

在第一时间周期(有时可称为“世界视图关闭”周期)期间，调节强度开关105的偏振开关110以阻挡真实世界光104。来自输出耦合器88的显示光124由偏振器114沿着X轴线性地偏振。光学系统122可具有偏振开关，诸如偏振开关116。每当偏振开关110导通并且强度开关105阻挡真实世界图像光104时，就可关断偏振开关116。因为偏振开关116断开，所以偏振开关116旋转显示光124的偏振，使得显示光124沿着Y轴对准。液晶透镜118由控制电路12调节，以针对沿着Y轴偏振的光产生期望的透镜焦度。偏置透镜120提供附加的期望透镜焦度。光124因此到达眼箱60，其中期望的透镜焦度插置在光学耦合器88和眼箱60之间。通过调节该透镜焦度(例如，当控制电路12调节透镜118时)，同时在强度开关105不透明且阻挡真实世界光时产生与显示器14同步的图像帧，与显示图像光124的相应帧相关联的虚拟对象可被放置在一个或多个期望的焦平面中。

在第二时间周期(有时可被称为“世界视图打开”周期)期间，调节强度开关105的偏振开关110以使真实世界光104通过，同时任选地关断显示器14(并且不产生光124)。偏振开关116被置于允许光穿过透镜118的状态。在第二时间周期期间，用户通过系统122查看真实世界对象。液晶透镜118仅对沿着Y轴偏振的光敏感，而对沿着X轴偏振的光不敏感。光104在穿过偏振器114时沿着X轴偏振，并且偏振开关116可被接通，因此光104在穿过透镜118时沿X轴保持其偏振态，并且因此不受透镜118的影响。前偏置透镜106和后偏置透镜120的组合光焦度抵消(在该示例中)，使得在眼箱60和真实世界之间不存在净透镜焦度(即，真实世界光104到达眼箱60而不受光学系统122的影响)。如图3B所示，当真实世界光104在第二时间周期(世界视图打开周期)中穿过系统122时，显示器14可被接通或关断。显示器14可例如根据要在眼箱60中为用户显示的虚拟内容的深度而被接通或关断。例如，如果要放置在对应于透镜118的焦平面处的虚拟内容具有零焦度，则可接通显示器14。

在操作期间，控制电路12可操作设备10同步的偏振开关和其他可调节部件(例如，在世界视图打开周期和世界视图关闭周期之间交替)。世界视图开状态和关闭状态之间的相对占空比可为50％(50％打开和50％关闭)或可具有任何其他合适的值(例如，60％-70％打开、小于80％打开、大于30％打开等)。当不需要调节虚拟内容的深度时，世界视图也可以以100％占空比打开。换句话讲，在图3A和图3B的配置中，(以及，如果需要，诸如图6和图9的配置之类的其他配置)，当需要增加世界视图的亮度时，可禁用深度特征。

如果需要，其他偏振相关透镜可用于透镜118。例如，可使用几何相位透镜或固定双折射透镜来代替可调谐透镜118。根据穿过透镜的光的偏振态，固定的偏振相关透镜为系统122提供两种不同的透镜焦度选择。在该配置中不使用眼睛跟踪和透镜中心调节，因为固定透镜的透镜中心位置是固定的。

如果需要，光学系统122可使用互补几何相位透镜对。几何相位透镜可使用液晶透镜结构来实现，该液晶透镜结构被配置为对于一种圆偏振诸如右手圆偏振(RCP)表现出正透镜焦度，并且对于相反圆偏振诸如左手圆偏振(LCP)表现出负透镜焦度。因为当用非偏振光(包含RCP和LCP光的相等部分)呈现时，正透镜焦度和负透镜焦度两者均表现出来，所以偏振控制用于避免不期望的双重图像。

图4A示出了基于几何相位透镜GPL1和GPL2的光学系统。前偏置透镜106和后偏置透镜120从图4A以及后续图中省略，以避免使附图过度复杂化。

如图4A所示，光学系统122可在几何相位透镜GPL2和偏振开关P2(可电调节偏振旋转器)之间具有四分之一波片QWP2。线性偏振器LPOL插置在波导86(输出耦合器88)和偏振开关P1之间。四分之一波片QWP1位于偏振开关P1和透镜GPL1之间。在该配置中，偏振开关P1和P3用作线性偏振的偏振旋转器。在其他配置中，四分之一波片QWP2和偏振开关P2可被组合以形成用于圆偏振的不同类型的偏振开关。类似地，四分之一波片QWP1和偏振开关P1可被组合以形成用于圆偏振光的偏振开关。换句话讲，可省略四分之一波片QWP1和QWP2。

当偏振开关P2和偏振开关P1断开时，RCP真实世界光104通过透镜GPL2转换成LCP光。四分之一波片QWP2将该LCP光转换为沿着Y轴线性偏振的光。偏振开关P2断开，因此使该光旋转，使得其沿着X轴偏振。线性偏振器线性POL阻挡该光。这样，防止了RCP真实世界光到达用户。

当偏振开关P2和偏振开关P1断开时，LCP真实世界光104通过透镜GPL2转换成RCP光，其表现出负透镜焦度。该光被转换成通过四分之一波片QWP2沿着X轴偏振的线性偏振光。偏振开关P2断开并因此旋转该光的偏振，使得其沿着Y轴线性地偏振。在穿过波导86(输出耦合器88)和线性偏振器LPOL之后，该光到达偏振开关P1。偏振开关P1断开并因此旋转光104的偏振，使得离开偏振开关P1的光沿着X轴偏振。四分之一波片QWP1将该线性偏振光转换为RCP光。当RCP光穿过透镜GP1时，透镜GP1表现出与透镜GPL2相等且相反的正透镜焦度，因此真实世界光104不受任何透镜焦度影响(例如，透镜GPL2和GPL1在组合时的透镜焦度为0屈光度，使得真实世界光104可由用户查看，好像系统122不存在一样)。

当偏振开关P1和P2导通时，LCP光104被阻挡。RCP光穿过表现出正透镜焦度的透镜GPL2。偏振开关P1和P2导通，因此不改变穿过它们的光的偏振态。在穿过透镜GPL2和GPL1之间的部件之后，光104变为左手圆偏振的。如图4A所示，当LCP光104到达透镜GPL1时，透镜GPL1表现出与透镜GPL2的正透镜焦度相等且相反的负透镜焦度。当偏振开关P1和P2均断开时，真实世界光104在偏振开关P1和P2导通时不受透镜GPL1和GPL2的存在的影响，因为透镜GPL1和GPL2的透镜焦度彼此抵消。

相比之下，显示光124受偏振开关P1和P2的切换的影响。当这些开关断开时，光124在透镜GPL1的输入处为RCP，其表现出正透镜焦度。然而，当偏振开关P1和P2导通时，光124在透镜GPL1的输入处为LCP，使得透镜GPL1表现出负透镜焦度。

在操作期间，串联地调节偏振开关P1和P2的状态(例如，通过以期望的占空比彼此同步地在导通和断开之间交替)。真实世界光104不受偏振开关P1和P2的状态变化的影响，这允许用户通过系统122查看真实世界，好像系统122不存在一样。显示光124由于其变化的偏振态而经历交替的透镜焦度。当转换成RCP光时，透镜GPL1向显示光124施加正透镜焦度，而当转换成LCP光时，透镜GPL1向显示光124施加负透镜焦度。因此，图4A的系统允许将虚拟对象(例如，来自显示器14的与偏振开关1和2的切换适当同步的显示图像帧)放置在两个不同的焦平面处。如果需要，系统诸如图4A的系统和本文所述的其他系统可使用部件堆叠布置来实现附加水平的焦平面定位。其中光学系统122表现出具有用于显示图像中的虚拟对象的相应的第一焦平面位置和第二焦平面位置的第一状态和第二状态的布置在本文中作为示例进行描述。

在图4B的示例性配置中，强度开关105具有一对线性偏振器LPOL和可切换偏振器P2。线性偏振器LPOL、偏振开关P1(用于为几何相位透镜GPL选择期望的透镜焦度)和四分之一波片QWP位于几何相位透镜GPL和波导86之间。利用该配置，偏置透镜的焦度可被配置为使得当选择几何相位透镜GPL的正焦度时，显示器14可表现出轻微的负焦度。在一个示例中，几何相位透镜GPL具有+/-1D的焦度，负偏置透镜120具有-1.5D的焦度，并且正偏置透镜106具有0.5D的焦度。当为几何相位透镜GPL选择正焦度时，显示焦度将为+1D-1.5D＝-0.5D，并且施加到真实世界光的焦度(有时称为世界焦度)将为+0.5D+1D-1.5D＝0D。当选择负焦度时，显示焦度将为-1D-1.5D＝-2.5D。

在图5A的示例性配置中，光学系统122仅具有单个偏振开关(开关P)，并且线性偏振器LPOL的位置已被改变，使得线性偏振器LPOL位于偏振开关P和眼箱60之间。在图5A的系统122中也仅存在单个四分之一波片(QWP)。如图5A所示，无论偏振开关P是导通还是断开，真实世界光104都以0透镜焦度穿过系统122，因为几何相位透镜GPL2的正焦度抵消了几何相位透镜GPL1的相等且相反的负透镜焦度，而显示光124在偏振开关P断开时穿过负透镜(GPL1)，并且在偏振开关导通时穿过正透镜(GPL1)。

在图5B的示例性配置中，已经将由线性偏振器LPOL’、偏振开关P’和四分之一波片QWP’形成的清理偏振开关添加到图5A的光学系统122中，以帮助阻挡不期望的重像光，从而改善主图像与重像之间的对比率。偏振开关P’可与偏振开关P同步操作。

在图6的示例性配置中，系统122具有偏振开关PSA和PSB。开关PSA可与一对线性偏振器LPOLX和LPOLY一起使用以实现强度开关。开关PSB可被配置为使得当开关PSB导通时，RCP光不受影响地穿过开关PSB，并且可被配置为使得当开关PSB断开时，进入的RCP光被转换为LCP光。

在“世界视图打开”模式下的操作期间，显示器14被关断，并且可调节开关PSA(以及由偏振器LPOLX和LPOLY形成的电子开关以及偏振开关PSA)以使光104穿过波导86和耦合器88。LCP光呈现给表现出负透镜焦度的透镜GPL1，并且RCP光呈现给表现出消除正透镜焦度的透镜GPL2。

在“世界视图关闭”模式下的操作期间，接通显示器14并调节切换PSA以阻挡真实世界光104。图像光的帧(例如，对应于交替的第一虚拟对象和第二虚拟对象的交替的第一帧和第二帧)与偏振开关PSB的状态同步。当呈现第一帧时，开关PSB接通，并且光124在穿过透镜GPL1时经历负透镜焦度，并且在穿过透镜GPL2时经历抵消正透镜焦度。当呈现第二帧时，关断开关PSB，并且光124在穿过透镜GPL1时经历负透镜焦度，并且在穿过透镜GPL2时经历另一个负透镜焦度。这样，显示光的第一帧经历0透镜焦度，并且显示光的第二帧经历负透镜焦度(等于透镜GPL1和GPL2的负透镜焦度之和)。与图中所示的其他系统一样，系统122中可包括偏置透镜，诸如前正固定偏置透镜和互补后负固定偏置透镜。

图7中示出了光学系统122的另一种示例性布置。当偏振开关P导通时，真实世界光104经历0透镜焦度，并且RCP显示光124经历0透镜焦度。LCP显示光被阻挡。当偏振开关P断开时，真实世界光被线性偏振器LPOL阻挡，并且显示光124经历负透镜焦度。可根据期望的内容深度接通和关断显示器14。

在图8的示例性配置中，显示器14与RCP显示光124或LCP显示光124交替地供应波导86，并且波导86保持来自显示器14的光的偏振态。可省略图7的部件，诸如四分之一波片QWP、线性偏振器LPOL和偏振开关P。通过显示具有不同偏振的不同深度的内容(RCP用于一个深度并且LCP用于另一个深度)来实现不同的虚拟对象位置。

图9示出了光学系统122的另一个示例性配置。在图9的示例中，几何相位透镜(GPL’)已被配置为以与来自透镜GPL’的RCP和LCP输出光的强度相当的强度通过0阶光(以平行于透镜GPL'的表面法线的角度照射到透镜GPL’的光)。因此，当图9的透镜GPL'呈现非偏振光(例如，具有LCP和RCP光的相等部分的光)时，将存在三个输出：1)LCP光(经历负透镜焦度)，2)RCP光(经历正透镜焦度)，以及3)0阶光(不经历透镜焦度)。图9的光学系统122被配置为阻止LCP光离开透镜GPL’。当显示器14断开时，偏振开关P2(其形成具有线性偏振器LPOL-1和LPOL-2的电子快门)被配置为允许真实世界的光传递到偏振开关P1。偏振开关P1断开，这允许真实世界光作为RCP光传递到透镜GPL’。当真实世界光104穿过透镜GPL’时，透镜GPL’表现出0透镜焦度。

当显示器14导通时，调节偏振开关P2，使得真实世界光104被阻挡。偏振开关P1的状态与由显示器14产生的图像帧同步交替，使得虚拟对象可呈现在不同的焦平面中。当开关P1导通时，光124在穿过透镜GPL’时经历负透镜焦度，并且当开关P1断开时，光124在穿过透镜GPL’时经历0透镜焦度。

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物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。

相反，计算机生成现实(CGR)环境是指人们经由电子系统感知和/或交互的完全或部分模拟的环境。在CGR中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在CGR环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，CGR系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对CGR环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。

人可以利用其感觉中的任一者来感测CGR对象和/或与CGR对象交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3D或空间音频环境，该3D或空间音频环境提供3D空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些CGR环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。

CGR的示例包括虚拟现实和混合现实。

虚拟现实(VR)环境是指被设计成对于一个或多个感觉完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。VR环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟和/或通过在计算机生成的环境内人的物理移动的一个子组的模拟来感测和/或与VR环境中的虚拟对象交互。

与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的VR环境相比，混合现实(MR)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。

在一些MR环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现MR环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致移动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。

混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。

增强现实(AR)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现AR环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，该成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现AR环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。

增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得经修改部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除其部分或将其部分进行模糊处理而进行转换。

增强虚拟(AV)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特性的表示。例如，AV公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的定位的阴影。

有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种CGR环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(HUD)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置成接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、OLED、LED、μLED、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。

根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：波导，该波导具有输出耦合器；显示器，该显示器被配置为向波导提供显示图像，该显示图像通过输出耦合器朝向眼箱耦合出波导；偏振相关透镜，真实世界图像或真实世界对象通过该偏振相关透镜是可见的；电子快门，该电子快门被配置为在其中真实世界图像穿过电子快门的透明状态和其中真实世界图像被电子快门阻挡的不透明状态之间切换；偏振开关，该偏振开关位于输出耦合器和可调谐的偏振相关透镜之间，该偏振开关被配置为交替地在电子快门为透明时的第一状态与电子快门为不透明时的第二状态之间切换，在该第一状态下，偏振开关被配置为允许真实世界图像穿过偏振相关透镜到达眼箱而不被偏振相关透镜聚焦，在该第二状态下，偏振开关被配置为允许显示光被偏振相关透镜聚焦同时传递到眼箱。

根据另一个实施方案，真实世界图像在到达偏振开关时具有第一线性偏振，并且显示图像在到达偏振开关时具有第一线性偏振，并且偏振开关被配置为当偏振开关处于第一状态时使真实世界图像以第一线性偏振穿过偏振开关，并且当偏振开关处于第二状态时使显示图像穿过偏振开关，同时将显示图像的偏振从第一线性偏振旋转到与第一线性偏振正交的第二偏振。

根据另一个实施方案，偏振相关透镜包括液晶透镜。

根据另一个实施方案，偏振相关透镜包括液晶透镜，该液晶透镜被配置为聚焦具有第二线性偏振的光并且被配置为不聚焦具有第一线性偏振的光。

根据另一个实施方案，电子快门包括可电调节液晶层。

根据另一个实施方案，电子快门包括第一线性偏振器和第二线性偏振器。

根据另一个实施方案，可电调节液晶层位于第一偏振器和第二偏振器之间。

根据另一个实施方案，输出耦合器位于可电调节液晶层和第二偏振器之间。

根据另一个实施方案，第二偏振器位于可电调节液晶层和输出耦合器之间。

根据另一个实施方案，偏振相关透镜包括不可电调节的固定双折射透镜。

根据另一个实施方案，偏振相关透镜包括可电调节透镜。

根据另一个实施方案，电子设备包括正偏置透镜和负偏置透镜，电子快门、输出耦合器、偏振开关和偏振相关透镜位于正偏置透镜和负偏置透镜之间。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括：显示器，该显示器被配置为输出显示图像；波导，该波导具有输出耦合器，该输出耦合器被配置为将显示图像从显示器传递到眼箱；偏振相关透镜，该偏振相关透镜插置在输出耦合器与眼箱之间；第一偏振开关，该第一偏振开关位于偏振相关透镜和输出耦合器之间；以及可电调节快门，该可电调节快门具有第一线性偏振器和第二线性偏振器以及在第一线性偏振器和第二线性偏振器之间的第二偏振开关，第二偏振开关可在第一状态和第二状态之间切换，在该第一状态下，可电调节快门阻止来自真实世界对象的真实世界图像到达偏振相关透镜，在第二状态下，可电调节快门将真实世界图像传递到偏振相关透镜。

根据另一个实施方案，第一偏振开关被配置为与第二偏振开关的第一状态和第二状态对应同步地在第一状态和第二状态之间切换。

根据另一个实施方案，显示器被配置为当第二偏振开关处于第二状态时关闭显示图像，并且被配置为当第二偏振开关处于第一状态时打开显示图像。

根据另一个实施方案，当第二偏振开关处于第一状态时，显示图像以第一线性偏振到达第一偏振开关，并且第一偏振开关被配置为当第一偏振开关处于第一状态时，将显示图像的第一线性偏振旋转到与第一线性偏振正交的第二线性偏振。

根据另一个实施方案，当第二偏振开关处于第二状态时，真实世界图像以第一线性偏振到达第一偏振开关，并且第一偏振开关被配置为传递第一线性偏振的真实世界图像而不使真实世界图像的第一线性偏振旋转。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括显示器；可切换光学部件，该可切换光学部件被配置为在第一状态与第二状态之间同步切换；以及可调谐液晶透镜，在第一状态而非第二状态期间通过该可调谐液晶透镜将来自显示器的显示图像提供给眼箱，并且在第二状态而非第一状态期间通过该可调谐液晶透镜将来自真实世界对象的真实世界图像提供给眼箱。

根据另一个实施方案，可切换光学部件包括第一线性偏振器和第二线性偏振器，在第一线性偏振器和第二线性偏振器之间的第一偏振开关，在第二线性偏振器和可调谐液晶透镜之间的第二偏振开关。

根据另一个实施方案，头戴式设备包括波导，该波导具有输出耦合器，该输出耦合器被配置为将显示图像从显示器传递到第二偏振开关。

根据另一个实施方案，可调谐液晶透镜具有可电调节的透镜中心位置。

根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：显示器，该显示器被配置为提供显示图像；波导，该波导具有输出耦合器，通过该输出耦合器可从眼箱查看来自真实世界对象的真实世界图像，该波导被配置为从显示器接收显示图像，并且输出耦合器被配置为将显示图像朝向眼箱耦合出波导，以及第一几何相位透镜和第二几何相位透镜，该第一几何相位透镜和第二几何相位透镜各自被配置为在不同的圆光偏振下表现出不同的透镜焦度，第一几何相位透镜位于输出耦合器和眼箱之间，并且输出耦合器位于第二几何相位透镜和第一几何相位透镜之间。

根据另一个实施方案，电子设备包括第一偏振开关和第二偏振开关以及线性偏振器，输出耦合器和线性偏振器位于第一偏振开关和第二偏振开关之间，并且线性偏振器位于输出耦合器和第一偏振开关之间。

根据另一个实施方案，第一偏振开关和第二偏振开关被配置为在第一状态和第二状态下操作，在该第一状态下，显示图像以第一圆偏振穿过第一几何相位透镜，在该第二状态下，显示图像以不同于第一圆偏振的第二圆偏振穿过第一几何相位透镜。

根据另一个实施方案，第一几何相位透镜被配置为对于以第一圆偏振穿过第一几何相位透镜的显示图像呈现正透镜焦度。

根据另一个实施方案，第一几何相位透镜被配置为对于以第二圆偏振穿过第一几何相位透镜的显示图像呈现负透镜焦度。

根据另一个实施方案，第一几何相位透镜被配置为当第一几何相位透镜以第一圆偏振接收真实世界图像时，以正透镜焦度将真实世界图像传递到眼箱，并且当第一几何相位透镜以第二圆偏振接收真实世界图像时，以负透镜焦度将真实世界图像传递到眼箱。

根据另一个实施方案，第二几何相位透镜被配置为对于以正透镜焦度穿过第一几何相位透镜的真实世界图像光表现出负透镜焦度，并且对于以负透镜焦度穿过第一几何相位透镜的真实世界图像表现出正透镜焦度。

根据另一个实施方案，电子设备包括在第一偏振开关和第一几何相位透镜之间的第一四分之一波片，以及在第二几何相位透镜和第二偏振开关之间的第二四分之一波片。

根据另一个实施方案，第一偏振开关包括第一可电调节液晶偏振旋转器，并且第二偏振开关包括第二可电调节液晶偏振旋转器。

根据另一个实施方案，电子设备包括偏振开关和线性偏振器，该偏振开关位于第一几何相位透镜和线性偏振器之间，并且线性偏振器位于偏振开关和眼箱之间。

根据另一个实施方案，电子设备包括位于第一几何相位透镜与偏振开关之间的四分之一波片。

根据另一个实施方案，偏振开关被配置为在第一状态和第二状态下操作，在该第一状态下，显示图像以第一圆偏振穿过第一几何相位透镜，在该第二状态下，显示图像以不同于第一圆偏振的第二圆偏振穿过第一几何相位透镜。

根据另一个实施方案，第一几何相位透镜被配置为对于以第一圆偏振穿过第一几何相位透镜的显示图像呈现负透镜焦度，并且被配置为对于以第二圆偏振穿过第一几何相位透镜的显示图像呈现负透镜焦度。

根据另一个实施方案，第一几何相位透镜被配置为当第一几何相位透镜以第一圆偏振接收真实世界图像时，以负透镜焦度将真实世界图像传递到眼箱，并且当第一几何相位透镜以第二圆偏振接收真实世界图像时，以正透镜焦度将真实世界图像传递到眼箱。

根据另一个实施方案，第二几何相位透镜被配置为对于以负透镜焦度穿过第一几何相位透镜的真实世界图像光表现出正透镜焦度，并且对于以正透镜焦度穿过第一几何相位透镜的真实世界图像表现出负透镜焦度。

根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括被配置为交替地在第一状态和第二状态下操作的显示器，该显示器被配置为在第二状态下操作时提供显示图像，并且在第一状态下操作时不提供显示图像；波导，该波导具有输出耦合器，通过该输出耦合器可从眼箱查看来自真实世界对象的真实世界图像，该波导被配置为从显示器接收显示图像，并且输出耦合器被配置为将显示图像朝向眼箱耦合出波导，以及第一几何相位透镜和第二几何相位透镜，该第一几何相位透镜和第二几何相位透镜各自被配置为在不同的圆光偏振下表现出不同的透镜焦度，第一几何相位透镜和第二几何相位透镜位于输出耦合器和眼箱之间。

根据另一个实施方案，电子设备包括位于第一几何相位透镜和第二几何相位透镜之间的偏振开关，该偏振开关被配置为在第二状态期间接通。

根据另一个实施方案，电子设备包括位于输出耦合器和第一几何相位透镜之间的线性偏振器以及位于线性偏振器和第一几何相位透镜之间的四分之一波片。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括被配置为交替地在第一状态和第二状态下操作的显示器，该显示器被配置为在第一状态下操作时提供第一偏振态的显示图像，并且在第二状态操作下时提供不同于第一偏振态的第二偏振态的显示图像；波导，该波导具有输出耦合器，通过该输出耦合器可从眼箱查看来自真实世界对象的真实世界图像，该波导被配置为从显示器接收显示图像，并且输出耦合器被配置为将显示图像朝向眼箱耦合出波导；以及插置在输出耦合器和眼箱之间的几何相位透镜，该几何相位透镜在第一偏振态的显示图像穿过几何相位透镜时表现出正透镜焦度，并且在第二偏振态的显示图像穿过几何相位透镜时表现出负透镜焦度。

根据另一个实施方案，头戴式设备包括在几何相位透镜和眼箱之间具有固定的负透镜焦度的透镜。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。